湖能量平衡
湖冰形式由于冷却和冻结,由辐射和显热损失的气氛秋季和冬季。第三章中描述的表面能量平衡是适用的。雪落在开阔水域可以提供额外的能源,由于潜在的能量从融化的雪湖中删除。
如果温度达到4°C作为一个湖冷却后,水的密度最大在这个温度(见图2.2)导致奇怪的行为。致密的表层水沉,创建一个系统的周期的“冲洗”。Overturning in the water column brings warmer water to the surface, where it will cool as the flushing process continues. There can be several flushing events在一个湖泊每个秋天,直到大部分水体温度在4°c。继续冷却产生稳定分层表面水域将开始冻结。一旦有核冰,导电热损失向大气中促进冰增长。增长速率敏感地方积雪的深度(绝缘能力)和温度梯度,因此空气温度。这是所示。
冰盖是间歇性地区冬季气温波动约0°c。冷法术(持续的温度小于0°C的几天)设置一层脆弱的毫米厘米厚的冰。薄冰覆盖几乎没有热惰性,所以一个简短的(例如,1 -或者两天)变暖事件可以融化冰雪。整个冬天都这样冻融循环描述许多湖泊。
如果温度保持低温长时间足以形成一个厚的冰层覆盖,然而,它需要大量的潜热能量融化的冰。冬天夜长高纬度地区,特点是一个净能量赤字(主要是长波冷却),所以冰在一夜之间变稠,白天开车有限融化在冬至。这使得湖的冰盖很耐用,这样它能温暖天气多日的法术,它通常会持续到春季。
冰冻的湖水冻结的冰,这通常被称为黑冰。这不是混淆公路上的“黑冰”形式重新冷冻水形成一个薄,透明的冰,这危险的驾驶。黑冰在湖泊的特征是有序的,垂直对齐列,冰晶体生长缓慢的结果由垂直热扩散(导电热损失上升到上覆冰)。黑冰是一个讽刺的名字;它有相对较少的气泡,使其高度透明。因此,可以看到通过这个冰到底层的水,这是黑暗,让冰黑色外观。相比之下,冰形成从上面由于洪水的白雪覆盖的冰被称为泥浆冰、雪冰,冰或白色。其高泡沫含量促进强劲的后向散射光和一个不透明的白色。白色的冰小,随机下令冰晶。
正如前面指出的部分”融雪模型,“洪水可能发生如果雪的冰足够厚导致冰水槽水线以下。雪冰也可以形成饱和和冻结的积雪由于湖水,推高了通过裂缝或冰穴在湖冰覆盖。这样的裂缝可能是由于收缩裂缝,在寒冷的夜晚。洪水还会引起地下水流动或饲料湖流,这样水流堵塞或转向流表面的冰层覆盖。从这种效应也称为二溴磷粉或积冰,字面上的“冰。”
冰并不完全覆盖湖泊在许多情况下,特别是在早期阶段的冰冻期,随着波浪作用和水的运动在进口或出口流防止冰设置。因为大波浪的能量在大型水体,湖泊经常冻结的边缘,径向向内。
湖冰盖中意外强劲的支持负载的能力。一致的5 - 10厘米冰盖足以支持一个人步行(例如,滑冰和冰上钓鱼),12 - 15厘米许可雪地旅行,20厘米可以支持轻型汽车,和超过50厘米让重型卡车运输。这些都是一般的经验法则,诸如基础水流冰可以妥协的力量或骨折。不同的司法管辖区提供不同的冬季冰雪旅游指南。在芬兰,例如,冰道路用于轻型汽车运输必须有至少40厘米的海冰厚度在整个广阔道路之前打开的季节。
热力学的冰与衰亡
冰增长收益迅速在早期阶段然后自限性的冰冻期,但由于绝缘基底冰水界面的寒冷的大气温度。在一个生长季节,这个热力学限制最大冰厚度1.5到2米的极度寒冷环境(即。极地地区)。积雪有很强的额外的绝缘效果,进一步限制冰厚度。季节性冰雪道路对运输很重要,工程通常是做人工刺激厚冰。的两个最有效的策略是清理积雪,传播水冰,从上面介绍结冰。类似的技术被用于建立和维护后院溜冰场。
湖冰的热力学遵循第3章中概述的方程,与地表能量平衡口述赤字或盈余的能量可用来驱动冰与衰亡,和Eq。(3.5)管理的内部能量和温度演化的冰。在冰增长,纵向热传导控制热损失的湖和冰到大气中,受大气温度迫使冰/ snow-atmosphere接口和热流从湖的冰冰水界面。吸积/基底冰消融可以建模的净盈余或赤字的能源基地。冰厚度H,在此之前
如果在哪里的熔化潜热,秦和Qout参考upward-directed垂直热流进入和离开湖冰界面(ice)的基础。秦是j 2 h
问二世
+ k i等于水的热通量,Qw、Qout热量进行向上到冰。符号b - b +表示无穷小层上方和下方的冰。upward-directed热通量是一个函数的空气温度和厚度和上覆冰雪的导热系数。
当结合Eq。(3.5)和使用一个移动(适应性)网格的数值方案跟踪阶段,第三章中介绍的模型可以应用于模拟冰增长受空气温度要求。图4.2块一个例子为一个理想化的情况Qw = 0.5 W m 2和基于观测的气象迫使空气温度和积雪深度耶洛奈夫,加拿大北部(62.46°N, 114.44°W)。图4.2 c中的实线是纯冰一个假设的情况(没有积雪),虚线包含一个变量积雪耶洛奈夫气象数据的基础上,假设雪密度300公斤的m3。我使用温度和密度端依赖值的热容和热导率雪和冰第三章中给出。
耶洛奈夫是一个寒冷、干燥的网站代表亚寒带,大陆性气候:季节性湖泊和理想的条件raybet雷竞技最新河冰。事实上,有一个广泛的冬季冰雪道路网络。图4.2说明了限制经济增长由冰层厚度本身和一个覆盖积雪。最高的增长率在冰冻期的早期的季节,当冰雪覆盖薄。甚至10 - 20厘米的积雪就足以有强烈的绝缘作用
图4.2。通过冬季建模湖冰增长,基于每日气温和积雪在耶洛奈夫,西北地区,加拿大,从2009 - 2010年冬季。(a)空气温度和(b)积雪迫使用于这种情况下,10月7日,2009年,2010年4月25日。(c)湖冰厚度无雪条件(实线)和包括积雪的影响(虚线)。
日历天(2009/2010)
图4.2。通过冬季建模湖冰增长,基于每日气温和积雪在耶洛奈夫,西北地区,加拿大,从2009 - 2010年冬季。(a)空气温度和(b)积雪迫使用于这种情况下,10月7日,2009年,2010年4月25日。(c)湖冰厚度无雪条件(实线)和包括积雪的影响(虚线)。
冰,尤其是如果仍是寒冷和干燥;被水浸透的雪更导电。有效的绝缘雪密度也非常敏感。
冰的增长可以通过Stefan近似的解决方案,这是一个分析近似(4.6)。忽视的热通量湖,积雪覆盖的影响,假设一个线性温度梯度的冰,
这里,F (t)代表累计冻结温度,概念类似于情商的积极度天。(4.4)但测量集成温度低于0°C。在(4.7),这个单位°C•年代,尽管冻结度天(负度天)可以使用相反,与热导率的单位转换。
图4.3块Stefan的方程的解为一个理想的场景:一步温度变化到-10°c,维持了200天。相比之下,这里显示的数值解也,从(4.4)计算。添加一个附加的曲线表明额外的积雪对冰生长的影响,假设一个线性增加积雪200天期间的冰增长和最大积雪厚度40厘米。
该解析解也被用于模型的海冰和冻土的增长。它表明,冰增长遵循√时间函数,假设F (t) ?t在冬天的季节。推论,dH / dt ?t”2。在实践中,操作(4.7)已被使用的地方
图4.3。根据Stefan湖冰增长在200天的解决方案(虚线)和Eq的数值解。(4.4)(实线),对于一个一步冷却空气温度为-10°C。湖冰厚度也策划案例与线性增加的积雪在200天的集成,最大积雪深度为40厘米(虚线)。雪密度为300公斤m3。
图4.3。根据Stefan湖冰增长在200天的解决方案(虚线)和Eq的数值解。(4.4)(实线),对于一个一步冷却空气温度为-10°C。湖冰厚度也策划案例与线性增加的积雪在200天的集成,最大积雪深度为40厘米(虚线)。雪密度为300公斤m3。
湖冰,系数f(从0.2到0.8)已添加到右边的(4.7)减少预测冰深度为了账户绝缘的经验雪的影响和其他的内在假设(4.7)。更高的数字应用在有风的环境中几乎没有积雪,而低价值应用积雪深和地下热通量高(例如,温暖的底层湖水域)。
另一种简化Eq。(4.6)介绍了两个1艾耶尔模型来近似积雪的影响。冰厚度嗨和积雪深度ds, dt H / k i + ds / ks的
这本质上是一个扩展的Stefan方程,尊重的冰雪层系列导热。这个近似假设线性温度梯度在冰和雪,等每个介质传导热通量相同dTJdz和9 ts / 9 z平衡值成反比的热导率,ki和ks。方程(4.8)可以解决给增量冰增长,SHi,每隔一个时间段与负面程度圣天F (St) [F (St) = -fTadt]。还可以添加第三个“电阻”(4.8)的分母,描述雪之间的有效传热表面和大气层。
事实上,很少有需要依靠Stefan的方程或(4.8)现在,作为一个完整的一维热扩散方程式的数值解。(3.5)和(4.6)很简单。例如,计算机程序来生成第三章和第四章中给出的例子了不到一天的时间来培养。有关雪深和表面能量平衡方面的资料(Eq。3.1)更限制在模拟的湖冰。
冰衰变
上面讨论的热力学也适用基底融化湖和河冰,但热通量从水中通常不推动这一进程。相反,冰breakup-the春季解冻由太阳辐射的增强在春天和初夏,辅以提高长波和显热空气供应和周围地形温暖。表面能量平衡方程第三章是突出的。
最初的淡水冰的融化收益慢,加速晚期由于的存在low-albedo熔体池和地区开放的水。在高纬度地区,冰雪覆盖厚,湖冰往往持续时间比地区积雪到春天。融冰季节晚期,热空气平流相邻无土地因此提供了一个额外的热源能量加速冰分手。
通常发现一层仍然相当坚实的融水湖上覆冰;冰盖仍不透水直到春天解冻。在晚期的消融,内部融化吸收太阳辐射转换的冰面荷包短、媒介通俗称为“烂”的是冰。这种性质的恶化表面冰也可以发现在海面上冰川和冰在夏天。另一个特点,往往被视为湖冰衰变蜡烛冰的发展,在柱状黑冰普遍存在。湖水结冰时,杂质被拒绝在间质颗粒边界和收集。这些杂质降低冰点的垂直导向的冰晶之间的连接,在初始阶段的解冻这些晶间界限是第一个区域融化,隔离柱状冰蜡烛。类似的功能中可以看到地面结冰形成于地下水渗流度过这个冬天。
继续阅读:海冰的特点
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